Interaction lumière – matière : émission, absorption

L’absorption de la lumière

L’effet photoélectrique

En 1839, une expérience d’Antoine Becquerel et son fils Alexandre Edmond Becquerel, présentée à l’Académie des Sciences, permet d’observer pour la première fois que si on illumine une électrode d’un dispositif composé de deux électrodes identiques plongées dans un électrolyte , il peut apparaître une différence de potentiel (ou tension électrique) entre ces deux électrodes d’environ 10-4 V.

 Expérience de Hertz (1887)

En 1886, Heinrich Hertz réalise l’expérience intitulée « effet photoélectrique » : une plaque de zinc, décapée, montée sur un électroscope est chargée, puis éclairée par la lumière émise par une lampe à vapeur de mercure (émettant un rayonnement riche en UV, visible et IR) ou par une lampe à UV.
L’expérience comporte trois étapes :
1ère étape : Initialement la plaque de zinc et l’électroscope sont chargés négativement : l’aiguille de l’électroscope dévie. Puis la plaque de zinc est éclairée. Que peut-on observer ?
2ème étape : La plaque de zinc est rechargée négativement et une plaque de verre est interposée entre la lampe et le zinc.
Que peut-on observer lorsque la lampe est allumée ?
Que peut-on observer lorsqu’ensuite la plaque de verre est retirée ?
3ème étape : La plaque de zinc est chargée positivement, puis éclairée : que peut-on observer ?

Interprétation de l’expérience de Hertz

La lumière, éclairant la plaque de zinc, permet d’extraire des électrons du métal : c’est l’effet photoélectrique.
1ère étape : les électrons, une fois extraits de la lame, sont repoussés par la lame qui se charge positivement. Les charges négatives de l’électroscope viennent neutraliser les charges positives de la lame : la décharge s’effectue.
3ème étape : la plaque de zinc, chargée positivement, attire les électrons émis : la décharge n’est pas observée.
2ème étape : la lumière ayant traversé le verre n’avait plus l’énergie nécessaire (le rayonnement ultraviolet a été absorbé par le verre) pour extraire des électrons du zinc.

Conclusion de l’expérience de Hertz

Heinrich Hertz a alors découvert que la lumière ultraviolette provoque l’émission d’électrons à partir d’une surface métallique comme le zinc.
On peut alors se demander comment on peut extraire un électron d’un métal :
Un métal est constitué par un réseau cristallin d’ions positifs entre lesquels circulent des électrons liés au réseau, mais libres de se déplacer à l’intérieur de ce réseau.

A l’aide du diagramme énergétique d’un électron, proposer une explication à l’effet photoélectrique.
· Quelle énergie minimale doit recevoir un électron pour être libéré ?
· L’énergie cinétique de l’électron libéré dépend-elle de l’intensité de la lumière ?
Ce sont les deux observations de H. Hertz qui contrastent avec la théorie de la lumière généralement admise à l’époque : la lumière est une onde (c’est la théorie qui permet d’expliquer une grande partie des phénomènes dans lesquels la lumière intervient comme la diffraction, les interférences …).

Insuffisance du modèle ondulatoire : modèle corpusculaire

Pour expliquer l’effet photoélectrique, il faut renoncer au modèle ondulatoire de la Physique Classique et recourir au modèle corpusculaire de la lumière (hypothèse d’Einstein, 1905).
Modèle corpusculaire de la lumière (hypothèse d’Einstein) :
Un rayonnement électromagnétique de fréquence ν peut être considéré comme un faisceau de particules : les photons. Chaque photon transporte l’énergie E = h·ν où h représente la constante de Planck.
Albert EINSTEIN (1879/1955), physicien allemand, reçoit en 1921 le prix Nobel de physique pour son apport à la physique théorique et particulièrement son explication de l’effet photoélectrique.

Interprétation de l’effet photoélectrique à l’aide du modèle corpusculaire

· Comment un électron peut-il acquérir de l’énergie pour devenir libre ?
Existence d’un seuil photoélectrique
· Quels sont les trois cas envisageables lorsqu’un électron absorbe un photon ?
Retour sur l’expérience de Hertz :
·
Calculer la fréquence de seuil du métal zinc pour en extraire un électron sachant que l’énergie nécessaire pour libérer un électron d’un atome de zinc et le transformer en ion zinc Zn+ est 9,394 eV (cette énergie est appelée énergie de première ionisation).
· A quel type de rayonnement cette fréquence correspond-elle ?
· Est-ce en accord avec l’expérience de Hertz ?

 Application de l’effet photoélectrique

Le soleil est une source d’énergie inépuisable, l’exploitation de son rayonnement pour produire de l’électricité a été possible par la compréhension de l’effet photoélectrique : un panneau photovoltaïque convertit une partie de l’énergie lumineuse du soleil en énergie électrique.
Le silicium est actuellement le matériau le plus utilisé pour la fabrication de panneaux photovoltaïques. Il fait partie de la famille des matériaux semi-conducteurs dont le diagramme d’énergie des électrons est du type schématisé ci-contre.
En effet, en physique du solide, les bandes de valence et de conduction modélisent des valeurs d’énergie que peuvent prendre les prendre d’un semi-conducteur à l’intérieur de celui-ci. De façon générale, ces électrons n’ont la possibilité de prendre que des valeurs d’énergie comprises dans certains intervalles, lesquels sont séparés par des « bandes » d’énergie interdites. Cette modélisation conduit à parler de bandes d’énergie.
La bande de valence est la dernière bande de basse énergie contenant des électrons.
La bande de conduction est la première bande de haute énergie vide d’électrons.
Pour le silicium, l’énergie nécessaire (Gap) pour faire passer un électron de la bande de valence à la bande de conduction est de 1,12 eV.
· Calculer la fréquence minimale du rayonnement permettant de faire passer un électron de la bande de valence à la bande de conduction.
· A quels rayonnements les panneaux photovoltaïques en silicium sont-ils sensibles ?
L’effet photovoltaïque illustre l’interaction de photons avec la lumière ce qui entraîne l’émission d’électrons. Nous allons maintenant étudier l’interaction d’électrons avec la matière.

Lampe à décharge de sodium

Ces types de lampe produisent de la lumière grâce à une décharge électrique dans un gaz, ici de la vapeur de sodium.

· Commenter chacun de ces trois diagrammes d’énergie afin d’expliquer l’émission de lumière par une lampe à décharge de sodium.
· Sachant que l’énergie de l’état fondamental est et que l’énergie du premier état excité est , calculer la longueur d’onde de la radiation émise.
· A quel domaine de rayonnement appartient cette radiation ?
2. La fluorescence
2.1. Cas général
Lorsque de la lumière incidente d’énergie Einc arrive sur une matière fluorescente, une partie de cette énergie est gardée par la matière. Le reste, Eem , est réémis sous forme d’un rayonnement, le tout dans un bref intervalle de temps.
· Laquelle de ces deux énergies (Einc ou Eem) est la plus grande ?
· Comparer les longueurs d’onde des radiations absorbées λinc et émises λem.
· Quelle est alors la particularité de la fluorescence ?

Cas d’un agent azurant

Un agent azurant est une molécule qui absorbe les rayonnements électromagnétiques ultraviolets entre 300 et 400 nm de longueur d’onde et réémet ensuite cette énergie par fluorescence dans le visible entre 400 et 500 nm.
Le premier agent azurant à être utilisé industriellement a été le méthylumbelliferone.
Lorsque l’on éclaire le méthylumbelliferone avec une radiation ultraviolette à λinc = 340 nm. La molécule garde une énergie de 0,764 eV puis réémet une radiation de longueur d’onde λem.
· Déterminer λem. A quel type de rayonnement correspond cette longueur d’onde ?
Certaines fibres naturelles telles la cellulose ont tendance à absorber dans le bleu et ont par conséquent un aspect jaunâtre.
· Pourquoi l’utilisation d’un agent azurant comme le méthylumbelliferone dans une lessive permet-elle de donner au linge un « éclat de blancheur ».

Applications

– poudres fluorescentes utilisées dans les tubes fluorescents pour donner le fond continu au spectre de raies ;
– jouets pour enfants ;
– aiguilles de montre.
Données :
· Constante de Planck : ;